Diseño y caracterización de una piel electrónica flexible multimodal con adquisición de datos basada en CPLD para intensidad táctil y reconocimiento de gestos

Resumen

Este protocolo describe la fabricación y operación de un sistema electrónico flexible y multimodal de piel. Utiliza un backend basado en CPLD para lograr la adquisición sincronizada y de frecuencia híbrida de datos a partir de 36 canales de sensores, permitiendo el análisis cuantitativo de gestos táctiles complejos para la percepción robótica avanzada y la interacción humano-robot.

Resumen

Este trabajo presenta el diseño y caracterización de una plataforma flexible multimodal de piel electrónica (e-skin) que soporta la detección táctil de alta resolución y el reconocimiento de gestos mediante un sistema de adquisición de datos basado en CPLD. El sistema integra una arquitectura de muestreo híbrido de frecuencia de 36 canales y 14 bits (2 kHz, 1 kHz, 100 Hz), con soporte a nivel de hardware para señales de presión, aceleración, luz, temperatura y entorno. Un sustrato flexible de FPC permite la integración conforme en superficies robóticas curvas manteniendo la estabilidad mecánica. Para demostrar la capacidad de percepción táctil, este estudio se centra en el canal de detección de presión, que sirve como modalidad principal para la estimación de la fuerza de contacto y la dinámica de gestos. Se analizaron cuatro interacciones humanas representativas: toque suave, golpecito, pellizco ligero y pellizco fuerte. Se introdujeron dos métricas adimensionales, la asymmetría equivalente de la forma de onda y la carga equivalente, para distinguir las categorías de intensidad de fuerza y gestos. Los resultados experimentales muestran que el sistema logra una clara separación de gestos y una respuesta viscoelástica similar a la piel, con un tiempo medio de descarga de 0,4 s ± 0,2 s. Se soporta la transmisión inalámbrica de datos en tiempo real a 1,5 Mbps, y el diseño modular proporciona una base escalable para futuras modalidades adicionales. Este trabajo establece un marco hardware para la interacción táctil humano-robot basada en la fuerza y el gesto, con capacidad ampliable para sistemas perceptivos multimodales.

Introducción

La detección táctil ha sido ampliamente investigada para la percepción^{robótica 1,2}, sin embargo, la mayoría de los sistemas electrónicos de piel (e-skin) aún dependen de configuraciones monomodales y de baja densidad que pueden limitar la interpretación del contacto humano complejo. A pesar de los avances significativos en materiales táctiles flexibles y arquitecturas^{de dispositivos 3}, la integración a nivel de sistema de la detección táctil multimodal y multicanal con adquisición de alta precisión en tiempo real presenta desafíos técnicos^{continuos 4}. En consecuencia, cuestiones clave como la sincronización de señales, la coordinación temporal y la optimización del rendimiento de datos requieren una solución sistemática en sistemas táctiles a gran escala o con alto recuento^{de canales 5}. Para responder a estos requisitos, es necesaria una arquitectura frontal de alto ancho de banda capaz de gestionar flujos de datos multicanal sincronizados, preservar la integridad de la señal y apoyar la caracterización cuantitativa de gestos y fuerzas ^6,7,8.

Los sistemas multimodales de piel electrónica han surgido como un avance significativo para permitir que las plataformas robóticas emulen las complejas capacidades de detección táctil de la piel humana. Los sensores tradicionales de modalidad única, que solo detectan presión o temperatura normal, pueden no captar completamente la naturaleza compleja y dinámica de las interacciones táctiles en el mundo real. En cambio, los sistemas multimodales inspirados en el ser humano están diseñados para detectar múltiples tipos de estímulos táctiles en tiempo real, incluyendo fuerza de corte, vibración y señales térmicas. Por ejemplo, Lee et al. desarrollaron un sistema de percepción táctil bioinspirado capaz de detección en tiempo real a través de cuatro canales sensoriales distintos, que mejoró el reconocimiento de texturas, modos de contacto y estados de interacción^{con objetos 9}.

Los avances recientes en electrónica flexible han ampliado aún más los horizontes de estos sistemas multimodales, especialmente mediante el desarrollo de una sofisticada piel electrónica (e-skin) que imita la conformidad mecánica y la alta sensibilidad de los tejidos biológicos. Por ejemplo, la exploración de materiales activos novedosos y diseños estructurales jerárquicos ha dado lugar a plataformas de e-skin de próxima generación con una sensibilidad táctil sin precedentes y una^{multifuncionalidad 10}. Más allá de la innovación en materiales, la transición hacia una aplicación a gran escala requiere técnicas de fabricación robustas y escalables. La electrónica impresa ha surgido como una solución clave, permitiendo la integración precisa y rentable de matrices de sensores de alta densidad sobre diversos sustratos elastoméricos, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento del dispositivo¹¹.

Para garantizar la fiabilidad de estos sistemas en escenarios prácticos, los investigadores se centran cada vez más en optimizar las propiedades electromecánicas y los mecanismos de detección de sensores flexibles para mitigar la diafonía de señales y la interferencia^{ambiental 12}. En última instancia, el paradigma actual en el campo está cambiando de componentes de detección aislados a plataformas totalmente integradas, inteligentes y flexibles que sinergizan materiales avanzados con marcos de procesamiento de señales^{de alta eficiencia 13}.

Sin embargo, integrar múltiples modalidades de detección en un conjunto unificado presenta desafíos sustanciales en el acoplamiento de señales, la sincronización e interpretación de datos. Kong et al. destacaron la necesidad de estrategias robustas de integración y desacoplamiento en matrices de sensores multimodales de alta densidad para asegurar un aislamiento preciso de la señal y minimizar la^{diafonía 14}. Además, el comportamiento mecánico del sustrato blando de detección influye significativamente en la fidelidad de la señal. Mu et al. demostraron que la naturaleza viscoelástica de los compuestos poliméricos conductores podía inducir deriva de señal e histéresis, enfatizando el papel de la modelización de materiales y las estrategias de compensación a nivel de sistema en plataformas de detección ^{multimodales 15}. En conjunto, estos hallazgos sugieren que desarrollar sistemas multimodales de piel electrónica de alto ancho de banda, conscientes de la viscoelasticidad y desacoplados es esencial para avanzar en la percepción táctil inteligente en robótica e interfaces^{hombre-máquina 16} .

Para asegurar la adquisición en tiempo real de señales táctiles multicanal con latencia mínima y alta integridad de señal, se adoptó un marco de adquisición basado en dispositivos lógicos programables complejos (CPLD). Estudios previos han demostrado que los CPLD son adecuados para gestionar canalizaciones de datos de alta velocidad y flujos de señales críticos en el tiempo en sistemas^{de sensores 17,18}.

En comparación con las arquitecturas tradicionales de adquisición de datos, este enfoque híbrido sincronizado basado en CPLD ofrece varias ventajas claras. Aunque los sistemas basados en unidades de microcontrolador (MCU) suelen depender de la sincronización a nivel de software o del sondeo secuencial, son propensos a jitter temporal no determinista y latencia de interrupción, lo que puede comprometer la alineación de fase de la señal en conteos altos^{de canal 19}. En contraste, la arquitectura basada en lógica de hardware de un CPLD garantiza ejecución estrictamente paralela y un tiempo determinista a nivel de nanosegundos para los 36 canales. Además, mientras que las matrices de puertas programables en campo (FPGA) proporcionan mayor potencia computacional, las CPLD ofrecen una solución más rentable y eficiente en consumo energético para la profundidad lógica requerida en máquinas de estados híbridas de frecuencia, facilitando la estabilidad a largo plazo en aplicaciones de piel electrónica vestible. Además, a diferencia de los métodos de multiplexación de canales inferiores que sacrifican el ancho de banda efectivo de muestreo por canal, la arquitectura sincronizada propuesta mantiene una tasa consistente de 2 kHz para modalidades táctiles, superando los cuellos de botella de la fusión heterogénea de datos identificados en la literatura^{reciente 19}.

Este estudio presenta una piel electrónica flexible multimodal integrada con un sistema de adquisición basado en CPLD. El sistema soporta 36 canales de muestreo híbrido de frecuencia de 14 bits, operando a 2 kHz para canales táctiles dinámicos y a 100 Hz para modalidades auxiliares, incluyendo aceleración, temperatura, humedad, iluminación y sensores de sonido (Figura 1). El sistema integra estos sensores heterogéneos sobre un sustrato flexible de circuito impreso (FPC), asegurando tanto adaptabilidad mecánica como estabilidad eléctrica. Se adoptó una capa de encapsulación viscoelástica¹⁵, segmentada en pequeñas unidades rectangulares, para mejorar la adaptabilidad local a la deformación y la estabilidad del contacto durante las interacciones táctiles.

En cuanto a la idoneidad práctica, la arquitectura de muestreo paralelo de alta velocidad está optimizada para capturar eventos táctiles rápidos e impulsivos como el tapping o el deslizamiento de texturas dentro de un entorno de laboratorio controlado. Sin embargo, las limitaciones operativas incluyen la posible degradación de la fidelidad de la señal debido a la deriva viscoelástica y la histéresis del sustrato blando, lo que requiere calibración periódica o compensación basada en software. Además, aunque el sistema es escalable a mayores cantos de canales, la implementación actual está limitada por el ancho de banda de transmisión inalámbrica para visualización en tiempo real.

El CPLD gestiona la adquisición multicanal sincronizada y la transmisión inalámbrica de datos, asegurando un rendimiento estable en tiempo real. Este enfoque permite la recogida multimodal de señales de alta densidad y proporciona una base de hardware escalable para la percepción táctil robótica. Para evaluar la discriminación táctil, se analizaron experimentalmente cuatro gestos representativos: toque suave, golpecito, pellizco ligero y pellizco fuerte.

Este trabajo se centra en demostrar la viabilidad e integridad de la señal de la arquitectura multimodal e-skin de alto ancho de banda. La detección de presión se implementa mediante un mecanismo piezorresistivo basado en un material viscoelástico de detección, un compuesto polimérico conductor caracterizado por una resistividad de volumen de <500 Ωcm. En esta configuración, la presión mecánica altera la resistencia de contacto dentro del material, que posteriormente es capturada por el sistema de adquisición. Se seleccionaron canales de presión como modalidad representativa para validar la adquisición en tiempo real y la calidad de los datos. Aunque el sistema admite modalidades adicionales como aceleración y temperatura, su implementación y análisis están reservados para futuros estudios específicos de aplicación.

Para abordar los desafíos de la adquisición de datos táctiles de alta densidad, este trabajo emplea una arquitectura de hardware basada en CPLD integrada con un módulo Wi-Fi 6. Como se muestra en la Figura 2, el sistema está diseñado para gestionar 36 canales con resolución de 14 bits a una alta velocidad de muestreo de 2 kHz, generando un rendimiento de datos en bruto de aproximadamente 1,01 Mbps. Al aprovechar el protocolo 802.11ax, la plataforma logra una tasa de transmisión estable y efectiva de 1,5 Mbps, manteniendo una tasa de pérdida de paquetes inferior al 0,2% en entornos típicos de laboratorio. Este enfoque basado en lógica de hardware elimina el jitter de temporización no determinista y la latencia de interrupciones comunes en las arquitecturas tradicionales basadas en MCU, a la vez que ofrece una alternativa más eficiente en consumo energético y rentable a las soluciones basadas en FPGA. Una cadena de datos tan robusta garantiza la sincronización precisa en tiempo real y la integridad de la señal necesarias para el reconocimiento de gestos complejos y la detección táctil multimodal.

Se definieron dos indicadores adimensionales: sesgo de forma de onda equivalente (EWS) y carga equivalente (EL). La EW cuantifica la asimetría temporal de la forma de onda de respuesta táctil, mientras que la EL representa la intensidad total de la fuerza integrada durante la duración del contacto. El análisis de estos indicadores reveló firmas mecánicas distintas para cada gesto, con un tiempo medio de descarga de 0,4 s ± 0,2 s, lo que sugiere que la respuesta viscoelástica del sustrato contribuye a las características temporales capturadas por el sistema.

Estos resultados demuestran la viabilidad de una intensidad táctil precisa y el reconocimiento de gestos mediante adquisición sincronizada y multimodal. El sistema propuesto proporciona así una plataforma funcional de interfaz para el análisis táctil cuantitativo y sienta una base para futuros desarrollos en la interacción humano-robot afectiva o relacionada con las emociones.

Protocolo

Todos los procedimientos experimentales descritos aquí fueron no invasivos y no involucraron a animales ni a humanos clínicos; por lo tanto, no se requirió ninguna aprobación ética para este estudio. Los reactivos y el equipo utilizado se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Fabricación de sensores

1. Preparación e integración del sensor viscoelástico
   1. Marque las dimensiones objetivo [por ejemplo, 5 mm x 5 mm] en el material viscoselástico de detección utilizando una regla de precisión y un rotulador permanente de punta fina para asegurar la precisión dimensional. Corta el material siguiendo las líneas marcadas usando tijeras afiladas de punta fina. Realizar los cortes en un solo movimiento continuo siempre que sea posible para asegurar bordes limpios y minimizar la deformación mecánica o el deshilachado en los límites.
   2. Limpia las almohadillas de montaje superficial del Circuito Impreso Flexible (FPC) usando [por ejemplo, alcohol isopropílico y una toallita sin pelusa] para eliminar contaminantes y asegurar una adhesión óptima (Figura 1).
   3. Une las piezas de material viscoelástico a las almohadillas de montaje superficial del FPC usando un adhesivo conductor.
   4. Aplica una fina capa de resina curable por UV alrededor de la base del material sensor para encapsular la unión adhesiva. Curar la resina usando una fuente de luz ultravioleta a 365 nm de longitud de onda con una intensidad de 100 mW/cm² durante 5 minutos.
   5. Verifica la continuidad eléctrica del sensor ensamblado usando un multímetro digital.
      NOTA: Los valores de resistencia deben situarse en el rango de 5 kΩ a 20 kΩ bajo condiciones de carga cero.
   6. Aplicar presión externa y medir el cambio correspondiente en la resistencia para caracterizar las propiedades sensibles a la presión del dispositivo ensamblado.

2. Implementación de la junta de adquisición de datos

1. Configuración del sistema de adquisición de datos multi-tasa
   1. Integrar el front-end analógico y los circuitos de conversión de datos en un único sustrato flexible de FPC (Figura 3).
   2. Utiliza cinco interruptores analógicos de 8 canales (Figura 4A) para la selección de canales del sensor. Conecta estos con tres convertidores analógico-digitales (ADC) paralelos de 14 bits (Sucesivo Approximation Register) (Figura 4B) para la digitalización de señales.
   3. Conecta el ADC y la red de conmutación a un Dispositivo Lógico Programable Complejo (CPLD) para gestionar la direccionamiento de canales, el control de temporización y la sincronización.
   4. Sujeta de forma segura el sensor FPC a la placa de adquisición usando un conector FPC de 40 pines. Asegúrate de que el mecanismo de bloqueo esté completamente activado para evitar la inestabilidad de la señal.
2. Control de sistemas y manejo de datos basados en CPLD
   1. Programar la lógica CPLD para que controle todos los ADC de forma síncrona generando señales de temporización precisas según los intervalos de muestreo requeridos.
   2. Configura las compuertas lógicas internas del CPLD para coordinar la conmutación de canales de alta velocidad y fusiona los flujos de datos paralelos de los tres ADC en un paquete de datos unificado.
   3. Transmite los datos fusionados a través de una interfaz serial a una velocidad de 1,5 Mbps a un módulo Wi-Fi para una comunicación inalámbrica en tiempo real con un ordenador anfitrión.
3. Interfazing ADC para muestreo híbrido en frecuencia
   1. Controla cada uno de los tres ADC SAR independientes de 14 bits a través de una interfaz serial dedicada de 3 cables compuesta por líneas Chip Select (CS#), Reloj Serial (SCLK) y Datos Seriales (SDATA) gestionadas por el CPLD.
   2. Implementa divisores de reloj específicos de canal dentro de la arquitectura CPLD para generar las tasas de muestreo distintas requeridas para las modalidades de 2 kHz, 1 kHz y 100 Hz (Figura 5).
   3. Almacena cada fotograma muestreado en un búfer temporal en relación con una referencia de base de tiempo común. Averiguen una bandera de datos válidos de un solo uso dentro de la lógica para indicar que los datos están listos para la transmisión posterior.
4. Implementación de la sincronización de muestreo basada en segmentos de tiempo
   1. Define un marco global de muestreo de 10 ms en el CPLD como el periodo base de planificación y divídelo en diez segmentos de tiempo uniformes de 1 ms.
   2. Asigna uno o más intervalos de tiempo fijos dentro de este marco de 10 ms a cada uno de los 36 canales de sensores según su frecuencia de muestreo designada.
   3. Monitorizar el esquema de planificación determinista para mantener una alineación estricta de fase en todos los grupos y tramas de ADC, asegurando la adquisición de datos híbridos de frecuencia síncrona.

Resultados

Este protocolo permite la caracterización cuantitativa y diferenciación de gestos táctiles distintos aplicados a la piel electrónica (e-skin). Fija la muestra de piel electrónica en la plataforma de prueba. Un solo operador realiza entonces cuatro acciones táctiles definidas: toque suave, golpeteo, pellizco ligero y pellizco fuerte, según los parámetros listados en la Tabla 1. El gesto de "toque suave" consistía en colocar repetidamente un dedo ligeramente sobre una unidad de piel electrónica durante apr...

Discusión

El mecanismo de detección de la e-piel está fundamentalmente enraizado en las propiedades viscoelásticas de su polímero^{constituyente 6,15}. Este material presenta tanto deformación elástica como flujo viscoso cuando se somete a una fuerza externa. El componente viscoso introduce una latencia característica en la recuperación del material; es decir, no vuelve instantáneamente a su estado original tras la eliminación de la fuerza, sino que requiere un periodo finito...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Placa de circuito impreso flexible	JLCPCB	Cualquiera	Utilizado para obtener datos de presión
Conmutadores analógicos y nbsp;	TI	TMUX1108PWR	Utilizado para seleccionar diferentes canales
Convertidor analógico-digital	Dispositivos analógicos	AD7940BRMZ-REEL7	Convertir señales analógicas en señales digitales
CPLD	Intel	MAX 10M02	Unidad de procesamiento de datos
Osciloscopio	Tektronix	TBS2000	Este osciloscopio se utiliza para medir las formas de onda de la señal.
Cuarto II	Intel	Cualquiera	IDE de programación para CPLD
Material de detección viscoelástica	Cualquiera	Cualquiera	Este material se utiliza para generar señales de presión.
Wi-Fi 6 module	IA-PENSADOR	AD-M62-CBS	Módulo de transmisión de datos